JP6179919B2 - スキルミオンの生成、消去方法および磁気素子 - Google Patents

Description

本発明は、スキルミオンの生成方法、消去方法並びにスキルミオンの生成および／または消去が可能な磁気素子に関する。

磁性体の磁化方向（電子スピンの向き）をデジタル情報として利用する磁気素子は、不揮発性、耐放射線などの特徴を持つエレクトロニクスデバイスとして注目されており、その磁気情報を電気的に操作する試みが近年盛んに行われている。

一方、近年、外部磁場のもとで、ＭｎＳｉ，Ｆｅ_１−ｘＣｏ_ｘＳｉ，Ｃｕ_２ＯＳｅＯ_３等の反転対称性を有しないカイラルな格子構造を有する一部の物質中で、三角格子状のスキルミオン結晶が生成されることが発見されている。スキルミオンは、中心部において印加された磁場に対して反平行の磁化を有し、周辺部においては印加された磁場に対して平行な磁化を有する、渦巻状の電子スピンの構造を有している。図８は、スキルミオンの電子スピンの配列を模式的に示す図であり、図中の各矢印は電子スピンの方向を示している。スキルミオンは、直径が３〜１００ｎｍ程度と非常に小さいため、磁気素子に応用すると単位情報を記憶する面積を、従来の磁気バブルメモリなどの従来技術に比べてはるかに小さくすることができる。また、スキルミオンは、微小な電場または電流密度で駆動できることも知られている（例えば、非特許文献１参照）。このため、高密度且つ低消費電力の磁気記憶素子等への応用が期待されている。

スキルミオンは、量子化されたトポロジカルな不変量であるスキルミオン数によって特徴付けられる。このスキルミオン数は、連続的な変化に対して不変である。すなわち、強磁性体のスピンが一方向を向いた状態から、スピンを連続的に変化させスキルミオンの構造を生成することはできず、不連続的な変化を与えなければ生成することができない。そのため、スキルミオンは一度生成されると粒子的な安定性を有する。一方、スキルミオンの生成、消去は、一般にスキルミオン数の不連続な変化を伴う。

スキルミオンを生成する技術としては、カイラルな強磁性材料に、環状スピン電流（circulating spin current）を加える方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

X.Z. Yu, N. Kanazawa, W.Z. Zhang, T. Nagai, T. Hara, K. Kimoto, Y. Matsui, Y. Onose and Y. Tokura, Nature Communications 3, 988 (07 August 2012) スキルミオン格子の電流駆動 Youngbin Tchoe and Jung Hoon Han, "Skyrmion generation by current", PHYSICAL REVIEW B85, 174416 (2012)

しかしながら、非特許文献２の方法によるスキルミオンの生成は、円電流の空間依存性を作り出すことが難しく、未だ概念設計の段階である。このため、現実的にスキルミオンを生成するための具体的な方法や素子の構成は、未だ検討段階である。また、強磁性材料に局所的に磁場や電磁波を印加または照射する方法も検討されるが、そのような方法では磁場や電磁波を印加する場所を、単一スキルミオンを生成するレベルまで局所的に絞ることは困難である。さらに、スキルミオンを消去する方法については、ほとんど知られていないのが現状である。このような状況のため、スキルミオンの技術的な応用を困難にしている。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、スキルミオンを生成する方法、および、スキルミオンを消去する方法、並びに、それらスキルミオンを生成および／または消去することが可能な磁気素子を提供することにある。

上記目的を達成するスキルミオンを生成する方法の発明は、スキルミオン相を有する磁性材料に角部を設け、所定の強度範囲の磁場を印加した状態で、前記角部を挟んで電流を印加することによりスキルミオンを生成することを特徴とするものである。このようにすることによって、角部において磁性材料のスピンが、渦巻状に回転した空間分布を生じてスキルミオンを生成することができる。なお、「角部」とは、試料の外形を構成する面または２次元的試料の場合は線の向きが不連続に変化する部分を意味する。また、「スキルミオン相を有する」とは、磁気相図上でスキルミオンが安定して存在し得るスキルミオン相が存在することを意味する。

好ましくは、前記磁性材料は、少なくとも部分的に２〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する薄膜として形成され、前記角部は前記薄膜に設けられた切り欠きに形成される構成とすることができる。さらに、好ましくは、前記切り欠きは、実質的に直角の角部を有するコの字型の形状とすることができる。

あるいは、前記磁性材料は、少なくとも部分的に２〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する薄膜として形成され、前記角部は内角が１８０°より大きいものとすることができる。さらに好ましくは、前記角部の内角は、実質的に２７０°とすることができる。

上記スキルミオンを生成する方法において、前記磁場を、前記薄膜として形成された前記磁性材料の面に略垂直に印加することが好適である。

また、上記目的を達成するスキルミオンを消去する方法の発明は、スキルミオン相を有する磁性材料に、非磁性材料よりなる少なくとも２つの電極を接続し、所定の強度範囲の磁場を印加し前記磁性材料にスキルミオンが存在する状態で、前記電極間に電流を印加して前記スキルミオンを前記電極のいずれかに接触させ、前記スキルミオンを消去するものである。このようにすることによって、非磁性材料との境界でスキルミオンを消去することが可能になる。

前記磁性材料に印加する電流密度は、１．５×１０^１１Ａ／ｍ^２以上であることが好ましい。

また、好ましくは、前記磁性材料は、少なくとも部分的に２〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する薄膜として形成される。

さらに、前記磁場を、前記薄膜として形成された前記磁性材料の面に略垂直に印加すると良い。

上記スキルミオンを生成する方法および消去する方法における磁性材料は、カイラル性を有する金属磁性材料とすることが好ましい。さらに、好ましくは、前記カイラル性を有する金属磁性材料は、Ｂ２０型化合物である。なお、Ｂ２０型化合物には、ＭｎＳｉ，ＦｅＧｅ，ＭｎＧｅ，Ｆｅ_１−ｘＣｏ_ｘＳｉ等が含まれる。

また、上記目的を達成するスキルミオンを生成および／または消去可能な磁気素子の発明は、角部を備えたスキルミオン相を有する磁性材料と、前記磁性材料に接続された少なくとも２つの電極であって、前記角部を挟んで電流を印加するように配置された電極とを備える。このようにすることによって、所定の強度の磁場を加えた状態で電極間に電流を流すことにより、角部においてスキルミオンを生成することができる。さらに、電極を非磁性材料により形成することにより、磁性材料と非磁性材料との接合部でスキルミオンを消去することができる。

前記磁性材料は、少なくとも部分的に２〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する薄膜であり、前記角部は前記薄膜に設けられた切り欠きに形成されることが好ましい。さらに好適には、前記角部を有する前記切り欠きは、前記角部が略直角なコの字型の形状とすることができる。

さらに、前記磁性材料は、矩形状の薄膜前記切り欠きを設けたものであり、前記電極は前記磁性材料の対向する２辺に接続された薄膜状のリード線であり、前記切り欠きは前記リード線が接続された辺とは異なる辺に沿う部分に設けられるようにすると良い。

あるいは、前記磁性材料は、少なくとも部分的に２〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する薄膜であり、前記角部は内角が１８０°より大きいものとすることができる。より好適には、前記角部の内角は、実質的に２７０°とすることが望ましい。

また、前記薄膜として形成された前記磁性材料の面に略垂直方向の磁場を印加する磁場印加機構を備えることができる。

さらに、前記磁気素子に用いられる前記磁性材料は、カイラル性を有する金属磁性材料とすることが好ましい。さらに、好ましくは、前記カイラル性を有する金属磁性材料は、Ｂ２０型化合物である。

本発明によれば、スキルミオン相を有する磁性材料に角部を設け、所定の強度範囲の磁場を印加した状態で、前記角部を挟んで電流を印加するようにしたので、角部を電流が流れる際に渦状の電子スピンの空間分布が形成され、スキルミオンを生成することができる。

第１実施の形態に係るスキルミオンを生成可能な磁気素子の概略構成図である。 シミュレーションによるスキルミオンの生成の過程を説明する図である。 電流密度とスキルミオンの生成速度との関係を示すグラフである。 スキルミオンが生成可能な磁場および電流密度の領域を示す図である。 第２実施の形態に係るスキルミオンを消去可能な磁気素子の概略構成図である。 シミュレーションによるスキルミオンの消去の過程を説明する図である。 第３実施の形態に係るスキルミオンを生成および消去可能な磁気素子の概略構成図である。 スキルミオンの電子スピンの配列を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施の形態）
第１実施の形態に係るスキルミオンを生成可能な磁気素子の概略構成図である。この磁気素子１は、カイラル磁性体２（スキルミオン相を有する磁性材料）と、カイラル磁性体の両端に設けられたリード線４ａ、４ｂ（電極）と電流源５とを備える。

カイラル磁性体２は、結晶構造に反転対称性が無く、スキルミオン相を有する磁性材料である。特に、ＭｎＳｉ，ＦｅＧｅ，ＭｎＧｅ，Ｆｅ_１−ｘＣｏ_ｘＳｉ等を含むＢ２０型化合物では、所定の磁場や温度の条件下で三角格子状のスキルミオン結晶が生成されることが実験的に観測されている。また、スキルミオンの安定性は、試料の厚さに依存することが実験的に知られている。バルクの材料では、スキルミオン相は、温度（Ｔ）と磁場（Ｂ）とによって示される相図において、らせん磁性との転移温度の極めて近くの狭い領域にのみ現れる。これに対して薄板状の試料を用いると、スキルミオン相は相図の広い領域に現れる。このため、カイラル磁性体２は、薄膜として形成する。

特に、カイラル磁性体２の厚さは、スキルミオンの渦巻状の磁気構造の直径よりも小さいか、あるいは高々３倍程度にし、スキルミオンが２次元的挙動を示すようにする。すなわち、カイラル磁性体は、少なくとも部分的に擬二次元材料として形成される。スキルミオンの直径は、典型的には３〜１００ｎｍであるから、磁性材料の厚さは、２〜３００ｎｍの範囲を含むことが好ましい。また、カイラル磁性体２の薄膜は、支持用の基材の上に形成して保持することができる。あるいは、全体としては厚みを有するカイラル磁性体の一部のみを薄膜として形成しても良い。

また、カイラル磁性体２は長辺と短辺とを有する長方形の形状をしており、その対向する２つの短辺にはカイラル磁性体と同等の幅を有する薄膜状のリード線４ａ，４ｂ（電極）が接合されている。一方、長辺の一方側には、両端以外の部分に略直角な角部３ａ，３ｂを有するコの字型のノッチ３（切り欠き）が設けられている。ノッチ３は、予め長方形の形状に加工されたカイラル磁性体２に対して、レーザで加工等をすることにより設けることができる。電流源５は、リード線４ａ，４ｂの間に電流を供給する。

以上のような構成により、この磁気素子１に図１の紙面の下側から上側方向にスキルミオンが生成可能な適切な強度の磁場を印加した状態で、カイラル磁性体２を電極４ａ側から４ｂ側へ右から左に流れる電流を供給する。すると、電子はカイラル磁性体２を左から右方向へ流れ、ノッチ３の角部３ａで電子スピンの渦巻状の回転を生じ、スキルミオンが生成される。ここで、角部３ａではカイラル磁性体２の外形の方向が不連続に変化するため、トポロジカルな変化をより容易に生じさせることができる。すなわち、本実施の形態によれば、リード線４ａ，４ｂを介して印加する電流をオン・オフすることによって、スキルミオンの生成を容易に制御することが可能となる。

次に、上記のようなスキルミオンの生成可能な磁気素子における電子スピンの挙動を、シミュレーションを用いて検証した結果を説明する。

カイラル磁性体の薄板状の試料におけるスピンシステムは、二次元正方格子における古典ハイゼンベルグモデルにより記述することができる。ここで、
は次式で表される局所的な磁気モーメントであり、
長さがＭに固定された古典的ベクトルとして扱われる。このモデルは、強磁性交換相互作用Ｊ、ジャロシンスキー・守谷相互作用（ＤＭ相互作用）Ｄ、および磁場Ｂとのゼーマン相互作用を含む。

ハミルトニアンは次式で与えられる。

磁場
は、面に対して垂直な方向に印加される。ここで、Ｂ／Ｊ＝０．０２７８とした。各パラメータには、現実的な値として、Ｊ＝１ｍｅＶ、Ｄ／Ｊ＝０．１８を適用し、これにより、温度ゼロで、ヘリカル相とスキルミオン結晶相との間の転移がＢ／Ｊ＝Ｂｃ_１／Ｊ＝０．００７５で生じ、スキルミオン結晶相と強磁性相との間の転移がＢ／Ｊ＝Ｂｃ_２／Ｊ＝０．０２５２で生じる。

本発明者らは、ゼロ温度において、電流により駆動されるスピンの挙動を、次のＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ（ＬＬＧ）方程式を数値的に解くことによって調べた。

ここで
である。また、
は磁気回転比、ｐは電流のスピン分極、ｅ（＞０）は素電荷、ａは格子定数である。

いわゆるα項と呼ばれる第２項は、ギルバート減衰を示し、本シミュレーションではαは０．０４に固定される。第３項および第４項は、スピンとスピン分極電流
との間の結合を記述する。

より具体的には、第３項はスピントランスファートルクによる結合を、第４項はいわゆるβ項と呼ばれる非断熱効果による結合を記述する。βはβ＝α（＝０．０４）に固定した。

また、電流密度は電場
に比例するものと仮定し、ここで、
を、スカラーポテンシャルとすると、次式で表せる。

ここで、係数はスカラーポテンシャルの定義により吸収される。定常状態の電流分布では、スカラーポテンシャルについて次のポワソン方程式が満たされる。
この式は、次の境界条件とともに試料の形状に対して適用される。
上記式に従い、試料の左端および右端における電流密度をｊとした。電流密度ｊは電流が右から左に流れる場合は正となる。

カイラル磁性体２は、図１に示したノッチ３を有する擬二次元材料として形成される。図２は、スキルミオンが生成される過程の各時点におけるノッチの周囲のスピン方向を示している。ここで、磁場の強度Ｂ／Ｊ＝０．０２７８であり、これはスキルミオン相と強磁性相との間の臨界値Ｂｃ_２／Ｊ＝０．０２５２より僅かに高い。

スキルミオンの生成過程の詳細を以下に説明する。まず、電流密度ｊ＝０の初期状態において、カイラル磁性体２の外周に沿うスピンは大きな面内成分を有している（図２ａ）。次に、カイラル磁性体２に電流を供給すると、電流が流れるに従い、ノッチ３の角部３ａの位置におけるスピン分布の回転している部分が膨らみ（図２ｂ）、スキルミオンの半分の部分が生成される（図２ｃ）。続いて、ＤＭ相互作用のために半分の部分が生成されたスキルミオンの後ろ側のスピンも渦巻状の回転となり（図２ｄ）、スキルミオンが生成される（図２ｅ）。生成されたスキルミオンは、カイラル磁性体３内で安定して存在する（図２ｆ）。

図３は、いくつかの磁場Ｂについて電流密度ｊの関数としてスキルミオンの生成速度Ｒ（単位時間当たりのスキルミオン生成数）を示している。より磁場が強いときは、スキルミオンを生成するためにより大きな電流密度が必要となる。図３に示すように、スキルミオンはスキルミオンが安定して存在し得る領域（すなわち、図４のＢ＜Ｂｃ_２の領域）の磁界よりもはるかに強いＢ／Ｊ＝０．０３０４の磁界中でも生成することが可能である。さらに、図３のグラフではｊの符号に対する非対称性が見られる。すなわち、電流の方向が反対向きになると、スキルミオンは生成されない。この非対称性は、スピン歳差運動の方向によるものである。

図４には、スキルミオンが生成される領域の磁界Ｂと電流密度ｊとの関係を示している。このグラフの下側の破線は、Ｂ＝Ｂｃ_２を示すものである。したがって、磁場の強さが下側の破線以下の領域では本来スキルミオンが安定して存在する。しかし、スピンの向きが揃った強磁性からこの領域に移行した場合、そのままでは、トポロジカルな構造の変化を伴うスキルミオンの生成はなされない。ここで、本発明のカイラル磁性体２に電流を印加することにより、角部３ａでスキルミオンが生成される。

図４において、スキルミオンは領域１１において生成され、領域１２では生成されない。スキルミオンが生成されるしきい値電流密度は、Ｂ＜Ｂｃ_３（Ｂｃ_３はトポロジカルなスキルミオンの保存が破壊される臨界的磁場強度である）の領域で、磁場の強度に対してほぼ線形に増加することがわかる。また、領域１１においては電流密度ｊが大きいほど、スキルミオンの生成速度Ｒが大きいことがシミュレーションにより確認された。

また、本発明者らは、ノッチの高さｈを種々変化させてスキルミオンの生成に与える影響を調べた。それによれば、ｈが小さすぎるとスキルミオンの一部分しか試料の中に生成されず、完全なスキルミオンを形成することができない。そのため、時間の経過とともにその部分も消滅する。一方、二次元試料の幅をｗとしたとき、ｗ−ｈが小さいと、スキルミオンの生成は起こらない。また、ノッチの角部３ａの角度（外角）について、θ＝３０°，４５°，９０°，１２０°および１３５°について調べたところ、９０°（カイラル磁性体２の内角とした場合は、２７０°）の角度がスキルミオンの生成に最も適していることがわかった。

以上説明したように、本実施の形態によれば、角部３ａを備えるスキルミオン相を有する磁性材料であるカイラル磁性体２に、ヘリカル相とスキルミオン結晶相との間の遷移が生じる臨界磁場強度であるＢｃ_１より大きく、トポロジカルなスキルミオンの安定性が破壊される臨界磁場強度であるＢｃ_３よりも小さい強度範囲の磁場を印加した状態で、角部３ａを挟んで電流を印加したので、角部３ａにおいて電子スピンの空間分布に部分的回転が生じる。これに、ＤＭ相互作用が加わり角部３ａから独立した単体のスキルミオンが生成される。また、角部３ａでは外形の方向が不連続に変化することから、連続的な変化では困難であったスキルミオン数を変化させるスキルミオンの生成が容易になる。

さらに、スキルミオンの生成速度は電流密度に比例するので、電流源５により供給される電流量を変化させることによって、スキルミオンの生成速度を制御することが可能になる。

特に、カイラル磁性体２を、生成されるスキルミオンの直径より小さいか、あるいは高々３倍程度の厚さである、厚さ２〜３００ｎｍの範囲の擬二次元材料として形成したので、広い温度範囲でスキルミオンが存在することが可能になり、常温に近い温度でも利用できることが期待される。なお、本願のシミュレーションは、そのような薄膜状のカイラル磁性体２を仮定して実施したものだが、バルクの材料においても、所定の磁場および温度条件下で、角部を有することによって同様なスキルミオン生成の効果が期待できる。

また、磁場Ｂを薄膜として形成されたカイラル磁性体３の面にほぼ垂直方向に印加した。スキルミオンの電子スピンは、外周部および中心部でそれぞれ逆向きに薄膜の厚さ方向に向く一方、外周部では磁場と平行方向に磁化されるので、このようにカイラル磁性体の面に垂直方向に磁場を印加するのが、スキルミオンの生成に最も効率的である。

また、カイラル磁性体３に設けた切り欠きは、角部が略直角なコの字型としたが、本発明の発明者らが種々の形状の切り欠きを設定して、シミュレーションを行った結果によれば、このようなコの字型の切り欠きは、三角形などの他の形状の切り欠きに比べより効率的にスキルミオンを生成することが判明した。

（第２実施の形態）
図５は、第２実施の形態に係るスキルミオンを消去可能な磁気素子の概略構成図である。この磁気素子２１は、カイラル磁性体２２と、カイラル磁性体２２の両端に設けられたリード線２４ａ、２４ｂと電流源５とを備える。カイラル磁性体２２は、第１実施の形態のカイラル磁性体２と異なりノッチ（切り欠き）は設けられていないが、同様の矩形の形状を有し、同様の材料より形成されるものである。また、カイラル磁性体２２の対向する２つの短辺にはカイラル磁性体２２と略幅の等しい薄膜状のリード線２４ａ，２４ｂ（電極）が接続されている。リード線２４ａ、２４ｂは、非磁性材料（例えば、銅、金等）により形成されている。その他の構成は、第１実施の形態と同様なので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

上記のような構成により、カイラル磁性体２２に所定の強度範囲の磁場を印加し、カイラル磁性体２２内にスキルミオンが存在する状態で、電極２４ａと２４ｂとの間に、例えば、図において右から左方向に所定の電流密度以上の電流を印加すると、スキルミオンは電流と反対方向に進み、やがて電極２４ａに接触し、カイラル磁性体２２と電極２４ａとの間の界面で消滅する。したがって、電流源５により供給する電流を制御することによって、スキルミオンを消去することが可能になる。

本発明の発明者らは、第１実施の形態と同様のモデルに基づいて、スキルミオンの消去についてもシミュレーションを行った。図６は、シミュレーション結果によるスキルミオンの消去の過程を説明する図である。

このシミュレーションにおいて、磁性材料と非磁性材料との接合部には開境界条件を与えた。境界周辺における２つの典型的なスキルミオンの挙動を図６に示す。まず、図６ａ−ｄは、電流密度ｊが小さいとき（ｊ＝１．０×１０^１１Ａ／ｍ^２）のスキルミオンの挙動を時系列的に示している。磁場Ｂは紙面の下側から上側に向けて印加され、電流は右から左方向へ流れる。図中矢印は、スキルミオンの進行方向を示すものである。低い電流密度ｊでは、カイラル磁性体２２と電極２４ａとの間の境界のポテンシャルを越えることができないため、スキルミオンは始め右方向へ移動するが（図６ａ）、図６ｂと図６ｃとの間に境界で跳ね返る。

一方、図６ｅ−ｈでは、カイラル磁性体２２に、より大きな電流密度ｊ（ｊ＝３．０×１０^１１Ａ／ｍ^２）となるように電流を供給している。スキルミオンは右方向に移動し（図６ｅ）、カイラル磁性体２２とリード線２４ａとの境界に接する（図２ｆ）。その後スキルミオンは、境界でのポテンシャルを乗り越えて消滅する（図２ｇ，ｈ）。このシミュレーションにより、カイラル磁性体２２に印加する電流の電流密度が、１．５×１０^１１Ａ／ｍ^２より大きければ、スキルミオンの消去が可能になることが確認された。

（第３実施の形態）
図７は、第３実施の形態に係るスキルミオンを生成、消去可能な磁気素子の概略構成図である。この磁気素子３１は、カイラル磁性体３２と、カイラル磁性体３２の両端に設けられたリード線３４ａ、３４ｂと電流源５とを備える。カイラル磁性体３２は、第１実施の形態のカイラル磁性体２と異なりノッチ（切り欠き）はなく、長方形の形状の長手方向中央付近で、外形が幅方向へ屈曲するように段を有している。そして、この段部分には内角の大きさが約２７０°の角部３３がある。また、厚さや材料等は第１実施の形態と同様である。また、カイラル磁性体３２の長手方向両端の対向する２つの辺にはリード線３４ａ，３４ｂ（電極）が接続されている。リード線３４ｂに比べリード線３４ａは、カイラル磁性体３２に設けられた段差のため幅広になっている。リード線３４ａ、３４ｂは、非磁性材料（例えば、銅、金等）により形成されている。その他の構成は、第１および第２実施の形態と同様なので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する

本発明者らが行ったシミュレーションの結果によれば、図７の紙面下側から上側方向の磁場を印加した状態で、電流源５により磁気素子３１のリード線３４ａと３４ｂとの間に、リード線３４ａからリード線３４ｂの方向への電流を供給すると、第１実施の形態と同様に角部３３でスキルミオンが生成されることが確認された。したがって、ノッチ（切り欠き）のみならず、適当な形状を有する角部がカイラル磁性体３２に形成されていることで、スキルミオンを生成することが可能になる。このとき、角部３３の内角が少なくとも１８０°以上であると、図２ｂ，ｃで生じたようなスピンの空間分布の回転が少なくとも部分的に生じると期待できる。さらに、生成されたスキルミオンは、第２実施の形態と同様にカイラル磁性体３２とリード線３４ａとの境界で消去することが可能である。

なお、本発明は、スキルミオンを単体で生成、消去することが可能な方法および素子に関するものである。これとは別に、磁性体内のスキルミオンを駆動、制御する研究も行われている。本発明は、そのような技術と組み合わされて、将来の高密度、低消費電力の磁気素子への展開が可能である。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、磁気素子１，２１，３１では、磁場が外部から印加されているとしたが、磁気素子１，２１，３１に、カイラル磁性体２，２２，３２に磁場を印加する機構を有していても良い。例えば、永久磁石や電磁石による磁場印加機構を用いることができる。

カイラル磁性体の形状としては、種々の形状が可能である。角部を有することによって、電子スピンの空間分布に不連続的な変化を生じるので、トポロジカルな変化が可能となる。また、スキルミオン相を有する磁性材料としては、Ｂ２０型化合物に限らず、将来的には他のタイプの材料も利用できるようになる可能性がある。したがって、本発明のスキルミオン相を有する磁性材料を、Ｂ２０型化合物に限定すべきではない。

なお、上記各実施の形態のシミュレーションに用いた数値計算において、ＬＬＧ方程式を解くために、４次のＲｕｎｇｅ−Ｋｕｔｔａ法を用いた。スキルミオンの生成については、試料の左および右端で周期的な境界条件を与え、他の境界では開境界条件を与えた。また、スキルミオンの削除においては、全ての境界に開境界条件を与えた。スピン状態の初期条件は、ＬＬＧシミュレーションで、電流密度ｊ＝０における完全な強磁性状態から緩和させることによって導出した。スピン状態が十分に収束した後、定電流を供給しスピンの挙動を観察した。時間ｔおよび電流密度ｊの自然単位を、それぞれ次のように定義し、これらの値を時間および電流密度の単位変換に用いた。

ここで、格子定数ａ＝５Å、スピン分極率ｐ＝０．２、局所的磁気モーメントの大きさＭ＝１の条件のもと、τ≒６．５×１０^−１３、κ≒１．０×１０^１３Ａ／ｍ^２である。

本発明は、スキルミオンを用いた磁気バブル、トポロジカルホール効果を用いたスキルミオン検出器、高速な大容量磁気メモリ等への利用が期待される。

１，２１，３１ 磁気素子
２，２２，３２ カイラル磁性体
３ ノッチ（切り欠き）
３ａ，３ｂ，３３ 角部
４ａ，４ｂ，２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂ リード線
５ 電流源
１１，１２ 領域

Claims (21)

1. 長辺と短辺とを有する二次元材料であり、スキルミオン相を有する磁性材料において、前記長辺の一方側における両端以外の部分に角部を設け、所定の強度範囲の磁場を前記磁性材料の第１面から前記第１面と異なる第２面側に印加した状態で、前記角部を挟んで一の前記短辺から他の前記短辺へ電流を印加することによりスキルミオンを生成する方法。
2. 前記磁性材料は、少なくとも部分的に２〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する薄膜として形成され、前記角部は前記薄膜に設けられた切り欠きに形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記切り欠きは、実質的に直角の角部を有するコの字型の形状であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記磁性材料は、少なくとも部分的に２〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する薄膜として形成され、前記角部は内角が１８０°より大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記角部の内角は、実質的に２７０°であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記磁場を、前記薄膜として形成された前記磁性材料の面に略垂直に印加することを特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 長辺と短辺とを有する二次元材料であり、スキルミオン相を有する磁性材料の第１の前記短辺および第２の前記短辺に、非磁性材料よりなる少なくとも２つの電極を接続し、所定の強度範囲の磁場を前記磁性材料の第１面から前記第１面と異なる第２面側に印加し前記磁性材料にスキルミオンが存在する状態で、前記電極間に電流密度が１．５×１０ ^１１ Ａ／ｍ ^２ より大きい電流を印加して前記スキルミオンを前記電極のいずれかに接触させ、前記スキルミオンを消去する方法。
8. 前記磁性材料は、少なくとも部分的に２〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する薄膜として形成される請求項７に記載の方法。
9. 前記磁場を、前記薄膜として形成された前記磁性材料の面に略垂直に印加することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記磁性材料は、カイラル性を有する金属磁性材料である請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
11. 前記カイラル性を有する金属磁性材料は、Ｂ２０型化合物であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 長辺と短辺とを有する二次元材料であり、前記長辺の一方側における両端以外の部分に角部を備えたスキルミオン相を有する磁性材料と、
    前記磁性材料に接続された少なくとも２つの電極であって、前記角部を挟んで一の前記短辺から他の前記短辺へ電流を印加するように配置された電極と、
    前記磁性材料の第１面から前記第１面と異なる第２面側に所定の強度範囲の磁場を印加する磁場発生部と
    を備える磁気素子。
13. 前記電極は、非磁性材料により形成される請求項１２に記載の磁気素子。
14. 前記磁性材料は、少なくとも部分的に２〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する薄膜であり、前記角部は前記薄膜に設けられた切り欠きに形成される請求項１２または１３に記載の磁気素子。
15. 前記角部を有する前記切り欠きは、前記角部が略直角なコの字型の形状である請求項１４に記載の磁気素子。
16. 前記磁性材料は、矩形状の薄膜に前記切り欠きを設けたものであり、前記電極は前記磁性材料の対向する２辺に接続された薄膜状のリード線であり、前記切り欠きは前記リード線が接続された辺とは異なる辺に沿う部分に設けられる請求項１４または１５に記載の磁気素子。
17. 前記磁性材料は、少なくとも部分的に２〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する薄膜であり、前記角部は内角が１８０°より大きいことを特徴とする請求項１２に記載の磁気素子。
18. 前記角部の内角は、実質的に２７０°であることを特徴とする請求項１７に記載の磁気素子。
19. 前記薄膜として形成された前記磁性材料の面に略垂直方向の磁場を印加する磁場印加機構を備える請求項１４〜１８の何れか一項に記載の磁気素子。
20. 前記磁性材料は、カイラル性を有する金属磁性材料である請求項１２〜１９の何れか一項に記載の磁気素子。
21. 前記金属磁性材料は、Ｂ２０型化合物である請求項２０に記載の磁気素子。